KR20150012649A - 막여과 공정 운영방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 막여과 공정 운영방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 강화침지세정 공정을 효율적으로 운영함으로써 막여과 공정의 효율성을 극대화하고 이로 인하여 응집-침전 단계 없이도 운영이 가능한 막여과 공정 운영방법에 관한 것이다.
본 발명은, 막모듈을 이용하여 오염물질을 제거하는 막여과 공정의 운영방법에 있어서, 막여과 공정의 최초 운전 후 또는 강화침지세정이 완료된 후 반복되는 역세정이 끝날 때마다 막모듈에서 측정된 TMP(Trans-Membrane Pressure)값인 ΔP와 점성계수 μ, 플럭스 J(투과유량/단위막면적)를 이용하여 아래의 식을 이용하여 여과저항 R_i값(i번째 역세정을 한 후에 계산된 여과저항)을 구하고 저장하는 계산단계;

상기 계산단계에서 구해진 R_i값(강화침지세정 후 i번째 역세정을 한 후에 계산된 여과저항)과 R₁값(강화침지세정 후 첫번째 역세정을 한 후에 계산된 여과저항)을 비교하여 그 차이인 저항차에 따라 강화침지세정 실시여부를 판단하는 판단단계; 및, 상기 판단단계의 결과를 바탕으로 강화침지세정을 실시하는 강화침지세정단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 막여과 공정 운영방법을 제공한다.

Description

막여과 공정 운영방법{Membrane Process Operating Method}

본 발명은 막여과 공정 운영방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 강화침지세정 공정을 효율적으로 운영함으로써 막여과 공정의 효율성을 극대화하고 이로 인하여 응집-침전 단계 없이도 운영이 가능한 막여과 공정 운영방법에 관한 것이다.

일반적으로 막여과 기술은 분리하고자 하는 입자보다 작은 크기의 공극을 갖는 매체에 압력, 중력차, 농도차, 온도차 등의 구동력(driving force)을 가하여 입자를 분리해내는 기술로서, 주로 정수처리 공정에 많이 활용되고 있다.

통상 정수처리 공정에 활용되는 막모듈은 통상 정밀여과 또는 한외여과막으로서 0.001~0.1㎛정도의 공극을 갖고 있는 막이며, 이러한 막모듈에 구동력을 가하여 수중에 존재하는 입자성 물질, 콜로이드, 병원성 미생물 등을 분리하여 제거하게 된다.

상기 막모듈이 전술한 입자들을 계속해서 걸러내는 과정에서 막의 공극이 제거대상 물질들에 의해 막히게 되므로, 막모듈의 공극을 막은 물질들을 제거하기 위하여 공기나 물, 또는 소량의 약품을 첨가한 물 등을 이용하여 막을 정기적으로 세척하게 되며 이를 역세정이라 부른다.

전술한 역세정 공정을 통하여 막모듈의 공극을 막는 물질들의 일부분은 제거되지만, 역세정 공정을 수행하더라도 회복되지 못하는 비가역적 막모듈의 오염은 불가피하다. 역세정 공정에 의해서도 막모듈에서 제거되지 못한 오염물에 의해 막모듈의 차압이 늘어나게 되고 그 차압이 막모듈의 한계 차압에 도달하게 되면 막모듈에 의한 처리를 정지하고 화학약품에 의해 막모듈을 세척하게 되는데 이를 CIP(Clean In Place) 공정 또는 화학세정 공정이라고 부르며 이하 본 명세서에서는 두 가지 용어를 혼용하기로 한다.

이러한 화학세정 공정은 고농도의 다양한 약품을 통해 막모듈 내에 축적된 막오염 물질을 씻어내는 공정으로서 통상 하루 이상 막모듈 정수처리 공정을 정지하게 되며, 정수장에 설계된 유량만큼을 생산하기 위해 세정하지 않는 다른 막모듈 공정에서 화학세정을 하는 막모듈 공정이 부담해야 할 정수량을 처리해야 하므로 화학세정을 하지 않는 막모듈 공정의 막오염을 증가시킬 수 있는 여지가 있는 문제점도 있다.

한편, 막여과 공정을 적용함에 있어서 막오염의 저감을 위해 응집-침전과 같은 기존의 정수처리 공정과 혼합하는 경우가 있는데, 이는 막오염 측면에서는 긍정적이긴 하나, 소요되는 부지면적의 과다 및 관리 포인트가 증대되는 등의 단점을 가지고 있다. 특히 침전지의 경우, 정수장에서 가장 큰 부지면적을 차지할 뿐만 아니라, 관련되는 슬러지 처리설비 등의 기기설비도 소요되며, 주기적인 청소 등을 위해 소요되는 인력이나 유지관리비용도 소요된다.

본 발명은 전술한 배경기술의 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 막모듈 공정을 중단해야 하는 화학세정을 보다 효율적으로 할 수 있는 막여과 공정 운영방법을 제공하는 데 있으며, 이러한 효율적인 운영을 통하여 궁극적으로는 응집-침전조를 없앰으로써 정수처리장의 시공 및 운영비용을 절감할 수 있는 막여과 공정 운영 방법을 제공하는데 있다.

전술한 과제의 해결 수단으로서 본 발명은,

막모듈을 이용하여 오염물질을 제거하는 막여과 공정의 운영방법에 있어서,

막여과 공정의 최초 운전 후 또는 화학세정이 완료된 후 반복되는 역세정이 끝날 때마다 막모듈에서 측정된 TMP(Trans-Membrane Pressure)값인 ΔP와 점성계수 μ, 플럭스 J(투과유량/단위막면적)를 이용하여 아래의 식을 이용하여 여과저항 R_i값(i번째 역세정을 한 후에 계산된 여과저항)을 구하고 저장하는 계산단계;

상기 계산단계에서 구해진 R_i값(화학세정 후 i번째 역세정을 한 후에 계산된 여과저항)과 R₁값(화학세정 후 첫번째 역세정을 한 후에 계산된 여과저항)을 비교하여 그 차이인 저항차에 따라 화학세정 실시여부를 판단하는 판단단계; 및,

상기 판단단계의 결과를 바탕으로 화학세정을 실시하는 화학세정단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 막여과 공정 운영방법을 제공한다.

상기 화학세정단계에서, 상기 저항차의 크기에 따라 사용되는 화학약품의 농도를 달리하여 화학세정이 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면 여과저항 값을 이용하여 화학세정을 보다 효율적으로 할 수 있는 막여과 공정 운영방법을 제공할 수 있다. 그리고 이러한 효율적인 운영을 통하여 궁극적으로는 응집-침전조를 없앰으로써 정수처리장의 시공 및 운영비용을 절감할 수 있는 막여과 공정 운영 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 일반적인 막여과 공정을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 막여과 공정 운영방법의 흐름도.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 막여과 공정 운영방법을 설명하기 위한 도면.

이하에서는 도면을 참조하면서 본 발명의 하나의 바람직한 실시예에 대하여 설명함으로써 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 제공하기로 한다.

도 1은 일반적인 막여과 공정을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 막여과 공정 운영방법의 흐름도이며, 도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 막여과 공정 운영방법을 설명하기 위한 도면이다.

우선 본 발명을 설명하기 전에 도 1을 참조하면서 막여과 공정에 대하여 간략하게 설명하기로 한다.

막여과 공정은 일반적으로 착수정/침사지(10)와 응집/응결조(20), 침전조(30), 막모듈(40)으로 구성된다. 침사지(10), 응집조(20)와 침전조(30)를 거치면서 입자가 큰 부유물들이 제거된 원수가 막모듈(40)으로 유입되는 구성이며 막모듈(40)을 통과한 유출수(41)는 정수가 완료된 물로 보관 후 필요한 곳으로 이송된다.

도면부호 42로 표시된 구성은 막모듈(40)을 역세정한 처리수나 화학세정을 한 처리수를 의미하며, 화학세정을 하는 경우에는 세정수 탱크(51)의 물에 화학약품조(52)에서 화학약품을 적당량 주입하여 원하는 농도의 화학세정수를 제조한 후 펌프(P)를 통하여 원하는 압력을 화학세정수를 가압한 상태로 막모듈(40)에 공급하게 된다.

이하에서는 도2 및 도 3을 참조하면서 본 발명의 하나의 실시예에 따른 막여과 공정 운영방법을 설명하기로 한다.

본 실시예에 따른 막여과 공정 운영방법은 계산단계, 판단단계 및 강화침지세정 단계로 구성된다.

상기 계산단계는 여과저항 값을 구하는 단계이다.

상기 여과저항 값이란 막모듈에서 측정된 막간 차압값과, 점성계수 및 플럭스를 이용하여 막에서 여과작용이 일어날 때의 저항값을 수치화한 값이다.

상기 막간 차압(Trans-Membrane Pressure;TMP)는 막모듈에서 측정되는 값으로서 아래의 식에서는 ΔP로 표시된다.

상기 점성계수는 수온에 따른 처리 효율을 보정하기 위한 값이며, 아래의 식에서는 μ로 표시된다.

상기 플럭스는 막에 투과되는 유량을 단위막 면적으로 나눈 값으로서 아래의 식에서는 J로 표시된다.

상기 막간 차압, 점성계수 및 플럭스를 이용하여 막여과 공정의 최초 운전 후 또는 강화침지세정이 완료된 후 또는 반복되는 역세정이 날 때마다 여과저항 R_i값(i번째 역세정을 한 후에 계산된 비가역적 여과저항)을 구하게 되며 그 식은 다음과 같다.

도 3에는 시간에 따른 R_i값의 하나의 예가 도시되어 있다. 최초 운전 후 시간이 지남에 따라 여과저항은 커지게 되는데, 역세정을 하게 되면 여과저항에 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 다만 역세정을 하더라도 여과저항이 어느 정도는 남게 되며, 각각의 역세정 단계 후의 여과저항을 계산하여 저장하게 된다.

한편, 최초 운전 후 역세정을 하면서 각각의 역세정 단계후 R_i값을 계산/저장하기도 하지만, 강화침지세정이 끝난 후에 역세정을 하면서 각각의 역세정 단계별 R_i값 역시 계산/저장하게 된다. 물론 이미 공정이 시작된 막여과 공정에 본 발명을 도입하는 경우에는 강화침지세정이 끝난 후에 역세정을 하면서 각각의 역세정 단계별 R_i값만을 구하고 저장하게 된다.

상기 판단단계는 상기 계산단계에서 구해진 R_i값을 활용하여 강화짐지세정의 실시여부를 판단하는 단계이다.

R₁값을 활용하는 방법에는 몇 가지가 있다. 첫 번째 방법은 누적합산된 R_i값

과 R₁값(강화침지세정 후 첫번째 역세정을 한 후에 계산된 여과저항)을 비교하여 그 차이인 저항차에 따라 강화침지세정 실시여부를 판단하는 것으로서, 상기 저항차가 일정수준이상이면 강화침지세정을 하는 것으로 결정하는 것이다.

상기 강화침지세정(CEB; Chemically Enhanced Backwashing)이란 추가적인 산화제나 염기 등을 통하여 막모듈을 세정하는 것으로서 강화세정(CIP)에 사용되는 약품농도의 약 1/100정도, 접촉시간은 1/24 정도로 세정하는 것을 정의하는데, 강화침지세정은 화학세정(CIP)에 비하여 매우 짧은 시간 안에 막모듈의 오염물을 제거할 수 있는 장점이 있는 세정방법이다.

이 때, 효율적으로 강화침지세정을 하기 위하여 상기 저항차의 크기에 따라 사용되는 화학약품의 농도를 달리하여 강화침지세정을 하는데, 본 실시예에서는 이는 도 3의 흐름도에 표현되어 있는 바와 같이 강화모드, 기본모드 및 완화모드로 나누어 강화침지세정을 한다.

상기 강화침지세정단계는 상기 판단단계에서 판단된 결과를 기준으로 강화침지세정을 하는 단계이다. 전술한 바와 같이 강화모드, 기본모드 및 완화모드로 나누어서 운영되며, 각각의 모드는 사용되는 화학세정수의 농도에 따라 구분하게 된다.

상기 저항차가 특정값 1 이상이면 강화모드로 운영하게 되며 높은 농도의 화학물질을 이용하여 강화침지세정을 하게 된다.(예를 들어 150~500㎎/L의 NaOCL 사용)

상기 저항치가 특정값 1보다는 작고 특정값 2보다는 큰 경우 기본모드로 운영하게 되며 중간 정도의 화학물질을 이용하여 강화침지세정을 한다. (예를 들어 100㎎/L의 NaOCL 사용)

상기 저항치가 특정값 2보다는 작고 특정값 3보다는 큰 경우 완화모드로 운영하게 되며 낮은 농도의 화학물질을 이용하여 강화침지세정을 한다. (예를 들어 10~100㎎/L의 NaOCL 사용)

물론 저항치가 특정값 3보다 작은 경우에는 강화침지세정을 하지 않는것으로 판단한다.

(이때 상기 특정치 1, 특정치 2 및 특정치 3은 실험 또는 계산에 의해서 미리 정한 값이며 운전 상황에 따라 그 값은 변경될 수도 있다.)

R_i값을 이용하여 강화침지세정의 실시여부를 판단하는 두 번째 방법은 R_i값이 증가되는 경향을 파악하여 강화침지세정 실시여부를 판단하는 것이다. 예를 들어 특정 i의 R_i값이 R_{i - 1}값에 비하여 비정상적으로 크다면 강화침지세정을 하는 것으로 판단할 수 있다. 이때 역시 그 차이의 크기에 따라 강화침지세정을 강화모드, 기본모드 및 완화모드로 중 어떤 모드로 실시하게 될지 판단할 수 있다.

이처럼 본 발명에서는 여과저항값을 활용하여 최적의 시점에 강화침지세정을 할 수 있도록 함으로써 막여과 공정을 매우 효율적으로 운영할 수 있도록 하는 것이다.

한편, 본 발명에 의하는 경우에 단순히 최적의 시점에 강화침지세정을 할 수 있도록 하는 것 뿐만 아니라 막모듈(40)의 오염 정도에 따라 다른 농도의 화학세정제를 사용함으로써 응집조(20)와 침전조(30)를 사용하지 않을 수도록 하는 효과도 기대할 수 있다. 원수의 오염농도는 일정하지 않으며 시간에 따라 불규칙적으로 변화하는 값인데 오염농도가 높은 경우 응집조(20)와 침전조(30)가 없으면 막모듈(40)에 큰 오염부하가 생기게 될 수 있다. 그러한 경우에는 저항차가 상기 특정값 1보다 더 커지게 되고 강화모드로 막모듈(40)을 강화침지세정함으로써 응집조(20)와 침전조(30)를 사용하지 않고서도 원수의 오염농도에 보다 효과적으로 대응할 수 있게 되는 것이다. 응집조(20)나 침전조(30)의 경우 넓은 부지를 차지함으로써 조성비용이 올라가는 요인이 되고, 시공하는데에도 많은 비용이 소요되며 운전비용 역시 적지 않은 수준인데 이를 없앰으로써 막여과 공정 전체의 조성비용, 시공비용 및 운전비용을 줄일 수 있는 효과가 발생한다.

이상에서 본 발명의 바람직한 하나의 실시예에 대하여 설명함으로써 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 제공하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며 본 발명의 기술적 사상에 어긋나지 않는 범위 안에서 다양한 형태의 막여과 공정 운영 방법으로 구체화될 수 있다.

10 : 침전지 20 : 응집조
30 : 침전조 40 : 막모듈

Claims (4)

1. 막모듈을 이용하여 오염물질을 제거하는 막여과 공정의 운영방법에 있어서,
   막여과 공정의 최초 운전 후 또는 강화침지세정이 완료된 후 또는 반복되는 역세정이 끝날 때마다 막모듈에서 측정된 막간 차압(Trans-Membrane Pressure; TMP)값인 ΔP와 점성계수 μ, 플럭스 J(투과유량/단위막면적)를 이용하여 아래의 식을 이용하여 여과저항 R_i값(i번째 역세정을 한 후에 계산된 비가역적 여과저항)을 구하고 저장하는 계산단계;
   

   

   
   상기 계산단계에서 구해진 R_i값(강화침지세정 후 i번째 역세정을 한 후에 계산된 비가역적 여과저항)을 기준으로 강화침지세정 실시여부를 판단하는 판단단계; 및,
   상기 판단단계의 결과를 바탕으로 강화침지세정을 실시하는 강화침지세정단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 막여과 공정 운영방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 판단단계는 상기 계산단계에서 구해진 R_i값과 R_{i -1}값(강화침지세정 후 (i-1)번째 역세정을 한 후에 계산된 비가역적여과저항)을 비교하여 그 차이인 저항차에 따라 강화침지세정 실시여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 막여과 공정 운영방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 판단단계는 상기 계산단계에서 구해진 R_i값과 R_{i -1}값(강화침지세정 후 (i-1)번째 역세정을 한 후에 계산된 비가역적여과저항)을 비교하여 그 차이의 변화율을 기준으로 강화침지세정 실시여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 막여과 공정 운영방법
   
4. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 강화침지세정단계에서 막오염의 상태에 따라 사용되는 화학약품의 농도를 달리하여 강화침지세정이 이루어지는 것을 특징으로 하는 막여과 공정 운영방법.
   
   
   

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